Podstawowy przemysł chemiczny – online

Węglan sodu występuje naturalnie lub jest wytwarzany z chlorku sodu (soli kuchennej). Ma wiele zastosowań, przede wszystkim do produkcji szkła.

Zastosowanie węglanu sodu

Używane są dwie formy węglanu sodu (soda kalcynowana) – ciężka i lekka. Najpierw otrzymuje się postać lekką, a następnie część z nich przekształca się w postać ciężką. Lekki węglan sodu zawiera mniej niż 0,5% chlorku sodu. Ciężki węglan sodu jest otrzymywany przez uwodnienie lekkiego węglanu sodu do monohydratu (Na2CO3.H2O), a następnie odwodnienie go w celu otrzymania produktu o zwiększonej wielkości i gęstości kryształu.
Te dwa gatunki mają różne zastosowania.

Główne zastosowania ciężkiego węglanu sodu są jako ciało stałe, szczególnie w produkcji szkła, gdzie jest używany jako topnik w topieniu krzemionki (piasku).

Zastosowanie lekkiego węglanu sodu jest tradycyjnie tam, gdzie substancja chemiczna jest wymagana w roztworze.

Rysunek 1 Zastosowania ciężkiego i lekkiego węglanu sodu.

Ogółem, około 50% całkowitej produkcji węglanu sodu jest wykorzystywane do produkcji szkła, 18% do produkcji innych chemikaliów i 10% w mydłach i detergentach.

Roczna produkcja węglanu sodu

Chiny są największym na świecie producentem węglanu sodu, stanowiąc 46% światowej produkcji, a USA 23%. (IHS Markit, 2015)

Dane pochodzą z:
1. 2018 Elements of the Business of Chemistry, American Chemistry Council.
2. Spośród nich 14,7 ton jest wydobywanych. Zdecydowana większość wydobywana jest w Stanach Zjednoczonych (11,7 mln ton) i Turcji (2 mln ton). Pozostała część powstaje z chlorku sodu i węglanu wapnia.
3. IHS Markit, 2015
4. Federalna Służba Statystyki Państwowej: Federacja Rosyjska 2011

Produkcja węglanu sodu

Istnieją dwa główne źródła węglanu sodu:
a) z soli i węglanu wapnia (poprzez proces sodowania amoniakiem (Solvay))
b) z rud węglanu sodu i wodorowęglanu (trona i nahcolite)

(a) Z chlorku sodu i węglanu wapnia

Ogólna reakcja może być uważana za reakcję między węglanem wapnia i chlorkiem sodu:

Węglan wapnia jest jednak zbyt nierozpuszczalny, aby mógł reagować z roztworem soli. Zamiast tego produkt jest otrzymywany w serii siedmiu etapów.

Proces ten jest znany jako proces amoniakalno-sodowy lub proces Solvaya, nazwany tak na cześć belgijskiego chemika przemysłowego, który opatentował go w 186I.

Różne etapy procesu Solvaya są ze sobą powiązane, jak widać na poniższym schemacie i opisie.

Rysunek 2 Różne etapy procesu Solvaya.

(1) Amonifikacja solanki

Amoniak jest absorbowany w stężonej solance, dając roztwór zawierający zarówno chlorek sodu, jak i amoniak. Obecne są jony Na+(aq), Cl-(aq), NH4+(aq), OH-(aq) i NH3(aq).

(2) Tworzenie się tlenku wapnia i ditlenku węgla

Kotły są zasilane mieszaniną wapienia i koksu (13:1 masowo). Koks spala się w przeciwprądzie wstępnie ogrzanego powietrza:

Ciepło spalania podnosi temperaturę pieca, a wapień ulega rozkładowi:

Gaz, zawierający około 40% dwutlenku węgla, jest uwalniany od pyłu wapiennego i przesyłany do wież karbonatyzacyjnych (Solvay). Pozostałość, tlenek wapnia, jest wykorzystywana do odzyskiwania amoniaku (patrz etap 7 poniżej).

(3) Wieża Solvay’a

Jest to kluczowy etap procesu. Solanka amoniakalna z etapu (1) jest przepuszczana w dół przez wieżę Solvaya, podczas gdy dwutlenek węgla z etapów (2) i (5) jest przepuszczany w górę. Wieża Solvaya jest wysoka i zawiera zestaw przegród w kształcie grzybka, które spowalniają i rozbijają przepływ cieczy, tak aby dwutlenek węgla mógł zostać skutecznie wchłonięty przez roztwór. Dwutlenek węgla, rozpuszczając się, reaguje z rozpuszczonym amoniakiem, tworząc wodorowęglan amonu:

Roztwór zawiera teraz jony Na+(aq), Cl-(aq), NH4+(aq) i HCO3-(aq). Spośród czterech substancji, które mogą powstać w wyniku różnych kombinacji tych jonów, wodorowęglan sodu (NaHCO3) jest najmniej rozpuszczalny. Wytrąca się on jako ciało stałe w dolnej części wieży, która jest schładzana. Proces netto jest następujący:

Z podstawy wieży wypływa zawiesina stałego wodorowęglanu sodu w roztworze chlorku amonu.

(4) Oddzielanie stałego wodorowęglanu sodu

Zawiesina jest filtrowana w celu oddzielenia stałego wodorowęglanu sodu od roztworu chlorku amonu, który jest następnie wykorzystywany w etapie (7).

(5) Tworzenie węglanu sodu

Wodorowęglan sodu jest ogrzewany w piecach obrotowych w temperaturze 450 K, tak że rozkłada się na węglan sodu, wodę i ditlenek węgla:

Ditlenek węgla jest przesyłany z powrotem do wieży Solvaya do wykorzystania w etapie (3). Produkt procesu, bezwodny węglan sodu, otrzymuje się jako drobny biały proszek znany jako lekki węglan sodu.

(6) Tworzenie wodorotlenku wapnia

Ostatnie dwa etapy, (6) i (7), dotyczą regeneracji amoniaku z chlorku amonu (wytworzonego w etapie 3). Wapno palone z etapu (2) jest rozcieńczane nadmiarem wody, co daje mleko wapienne:

(7) Regeneracja amoniaku

Ta zawiesina wodorotlenku wapnia jest mieszana z roztworem chlorku amonu pozostałym z etapu (4) i podgrzewana:

Amoniak jest w ten sposób odzyskiwany i przesyłany z powrotem do etapu (1). Chlorek wapnia jest jedynym produktem ubocznym całego procesu.

Całościowy proces jest elegancki. W teorii, jedynymi surowcami są wapień i solanka. Nieuchronnie występują straty amoniaku, które są wyrównywane przez dodanie dodatkowych dostaw, zgodnie z wymogami etapu (1).

(b) Z rud trony i nahcolitu

Proces Solvaya nie jest stosowany w USA. Zamiast tego, przemysł wykorzystuje dwie rudy i to stanowi około 30% światowej produkcji. Jedną z nich jest trona, występująca w ogromnych ilościach w Wyoming. Trona ma wzór:

Ruda jest wydobywana w postaci stałej i ogrzewana w celu usunięcia dwutlenku węgla, aby uzyskać węglan sodu:

Drugą rudą jest nahcolite, który jest wodorowęglanem sodu. Przy ogrzewaniu tworzy on węglan sodu.

.